應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的某道路大修工程測量研究

單學(xué)雷

摘要：該文從市政道路大修工程對(duì)測繪的需求出發(fā)，探討了三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程測量中的外業(yè)作業(yè)方法及內(nèi)業(yè)成圖方法。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)地形測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，極大地提高了外業(yè)測量工作效率，降低外業(yè)測量工作的強(qiáng)度，將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外，該文通過將掃描儀測圖與全站儀測圖成果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的精度完全可以滿足地形圖測繪的要求。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描??道路工程??外業(yè)掃描??內(nèi)業(yè)處理

中圖分類號(hào)：P225.2;TU198???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research?on?a?Road?Overhaul?Engineering?Survey?by?Using?3D?Laser?Scanning?Technology

SHAN?Xuelei

（Beijing?Jiucheng?Surveying?and?Mapping?Technology?Co.，?Ltd.，?Beijing，?101300?China）

Abstract：?Staring?from?the?requirements?of?surveying?and?mapping?in?municipal?road?overhaul?engineering，?this?paper?discusses?the?field?operation?method?and?internal?mapping?method?of?3D?laser?scanning?technology?in?municipal?road?engineering?surveying.?Results?show?that?compared?with?traditional?topographic?survey?methods，?3D?laser?scanning?technology?can?quickly?obtain?massive?point?cloud?data，?which?greatly?improves?the?work?efficiency?of?field?survey，?reduces?the?intensity?of?field?survey?work，?and?shifts?the?focus?of?work?to?the?internal?work.?In?addition，?through?the?comparative?analysis?of?the?mapping?results?of?the?scanner?and?those?of?the?total?station，?it?is?found?that?the?accuracy?of?3D?laser?scanner?can?fully?meet?the?requirements?of?topographic?mapping.

Key?Words：?3D?laser?scanning;?Road?engineering;?Field?scanning;?Internal?processing

道路縱橫斷面是道路方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，縱斷面可以反映中線上地面起伏情況，橫斷面可以反映垂直中線方向的起伏情況。通常相關(guān)工作者使用全站儀、GPS（Global?Positioning?System，全球定位系統(tǒng)）和水準(zhǔn)儀來測量道路斷面，但是這些測量方法是單點(diǎn)接觸式測量，工作速度很慢，數(shù)據(jù)的密度低，無法準(zhǔn)確反映地面的上升和下降[1]。對(duì)于某些地形復(fù)雜且波動(dòng)較大的地區(qū)，傳統(tǒng)測量方法存在很大缺陷。三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，也被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。它可以完全、高精度地重建被掃描物體的空間形狀，無須接觸被測物體，即可獲得空間物體精確的三維位置、顏色、紋理信息，真正實(shí)現(xiàn)了高度精確的非接觸式測量。

在勘測人員難以測量的危險(xiǎn)地段，三維激光掃描技術(shù)可以高精度地采集目標(biāo)物體的表面點(diǎn)云信息；通過海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)來模擬目標(biāo)物體表面信息特點(diǎn)，可以細(xì)致地描述目標(biāo)物體特征。三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行掃描測量時(shí)不受光強(qiáng)限制，因此可以全天候工作；獲取的數(shù)據(jù)信息為點(diǎn)云形式，因此能夠直接用來對(duì)目標(biāo)對(duì)象表面進(jìn)行建模[2]。將三維激光掃描技術(shù)引入道路工程測量領(lǐng)域，將極大地推進(jìn)其測量水平的進(jìn)步。該文主要以市政道路工程為例，對(duì)市政道路工程勘察中三維激光掃描技術(shù)的現(xiàn)場操作方法和內(nèi)業(yè)制圖方法進(jìn)行探討。

1?市政道路工程的分類及對(duì)測繪內(nèi)容的要求

市政道路工程主要分為道路新建及道路大修兩大類。新建道路設(shè)計(jì)階段需要測繪部門測繪設(shè)計(jì)線路的1/500或1/1000大比例尺地形圖，供設(shè)計(jì)單位使用。施工中線確定后，要測繪對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)中線各樁點(diǎn)的橫斷面數(shù)據(jù)及中線縱斷面數(shù)據(jù)。大比例尺地形圖不僅作為設(shè)計(jì)選線依據(jù)，還要反映道路施工范圍內(nèi)的地物、地形、地貌，供拆遷單位統(tǒng)計(jì)拆遷量及拆遷賠償使用[3]。

道路大修工程是指原有道路因路面開裂、破損、出現(xiàn)車轍以及公交車站及港灣、交通標(biāo)志需重新規(guī)劃等情況需要重新加鋪改造的工程，這種工程除了需測繪大比例尺現(xiàn)狀地形圖機(jī)總橫斷面測量以外，還有一個(gè)特點(diǎn)就是對(duì)地面上所有交通設(shè)施，都要準(zhǔn)確地在地形圖中表示出來。為準(zhǔn)確確定加鋪量，設(shè)計(jì)人對(duì)圖面高程密度要求很高，需要每10?m測一組高程，路口往往需要測量5?m高程方格網(wǎng)。

2?三維激光掃描技術(shù)簡介

Leica公司的P40三維激光掃描儀完美融合了高精的測距測角技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、Mixed?Pixels技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，使得該儀器具有更高的性能和穩(wěn)定性，掃描距離可以到達(dá)270?m，滿足各種掃描任務(wù)的要求[4]。

3?技術(shù)方案設(shè)計(jì)

技術(shù)方案主要包含控制測量、外業(yè)掃描、點(diǎn)云拼接與去噪、地形圖繪制、縱橫斷面繪制等步驟。

3.1 外業(yè)掃描方案

3.1.1?控制測量

為了將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到城市坐標(biāo)系下，需沿道路中線均勻布設(shè)控制點(diǎn)。平面控制測量采用上海虛擬參考站技術(shù)布設(shè)，根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》（CJJT73-2010）中一級(jí)GNSS點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。高程控制測量采用《工程測量規(guī)范》（GB50026-2001）中四等水準(zhǔn)測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施[5]。

3.1.2?設(shè)站掃描

沿著道路中線設(shè)站掃描，在控制點(diǎn)架設(shè)掃描儀對(duì)中整平并量取儀器高，設(shè)定好掃描參數(shù)后開始掃描。對(duì)于沒有控制點(diǎn)的區(qū)域采用自由設(shè)站通過標(biāo)靶配準(zhǔn)的方式，從而保證了作業(yè)效率及數(shù)據(jù)的精度。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取流程如圖1所示。

3.2?內(nèi)業(yè)處理方案

內(nèi)業(yè)處理方案如圖2所示[6]。

4?道路工程案例分析

4.1?工程概況

某條道路進(jìn)行大修，根據(jù)設(shè)計(jì)專業(yè)提供的測量要求需提供1∶500數(shù)字地形圖、道路縱橫斷面等，由于現(xiàn)場車流量較大，地形地物復(fù)雜，項(xiàng)目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進(jìn)行地形圖、縱橫斷面繪制。

4.2?外業(yè)掃描

掃描沿線布設(shè)有控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上設(shè)站掃描將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至已知坐標(biāo)系下。此次外業(yè)共掃描10站，掃描線路350?m，掃描測站沿線路均勻分布。

4.3?點(diǎn)云拼接及道路點(diǎn)云提取

外業(yè)掃描結(jié)束后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)導(dǎo)入Cyclone中，點(diǎn)云拼接具體實(shí)現(xiàn)采用控制點(diǎn)拼接和標(biāo)靶拼接，拼接完成后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪，剔除周邊冗余點(diǎn)云只留下道路點(diǎn)云。道路點(diǎn)云模型如圖3所示。

此次拼接最大拼接誤差為1.4?cm，多數(shù)誤差在1?cm以內(nèi)，拼接精度可以滿足該工程的需要。

4.4?地形圖繪制

利用拼接點(diǎn)云在Cyclone和CAD軟件中繪制道路1∶500地形圖及道路縱橫斷面。也可以直接提取地形地物點(diǎn)及縱橫斷面數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)出，在CAD軟件中按照傳統(tǒng)方式繪制地形圖及縱橫斷面。為了提高繪圖效率，這里綜合使用Cyclone和CAD軟件繪制地形圖，然后將設(shè)計(jì)提供中線導(dǎo)入點(diǎn)云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號(hào)對(duì)拼接后點(diǎn)云進(jìn)行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)，見圖4。

4.5?精度評(píng)定

根據(jù)項(xiàng)目要求，該工程需提供1∶500地形圖及道路縱橫斷面成果，為了驗(yàn)證地形地物點(diǎn)及縱橫斷面的精度，這里對(duì)地形圖部分地物點(diǎn)（如窨井、房角點(diǎn)等）的平面位置精度、高程精度斷面點(diǎn)的高程精度進(jìn)行驗(yàn)證。使用全站儀和水準(zhǔn)儀采集特征地物點(diǎn)，采集21點(diǎn)地物點(diǎn)高程，20點(diǎn)縱斷面點(diǎn)高程，在拼接后點(diǎn)云中提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)平面及高程值進(jìn)行精度分析。

經(jīng)過整理計(jì)算，地物檢查點(diǎn)平面中誤差7.61?cm，地物檢查點(diǎn)高程中誤差為0.91?cm，縱斷面高程中誤差為0.78?cm。所有檢查點(diǎn)平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足《工程測量規(guī)范》（GB/50026-2007）1∶500地形圖要求。

4.6?數(shù)據(jù)量及工作效率對(duì)比

傳統(tǒng)方式進(jìn)行道路地形及縱橫斷面測量時(shí)，一般只采集明顯地物點(diǎn)及縱橫斷面地形變化處地形點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況下，10個(gè)左右地形點(diǎn)即表示一條橫斷面。而三維激光掃描通過非接觸測量的方式直接獲取高精度道路地表三維點(diǎn)云模型，設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確地確定工作量，設(shè)計(jì)更好的方案，如圖5所示。

另外三維激光掃描技術(shù)可以減少人員作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。該工程使用傳統(tǒng)方式作業(yè)外業(yè)測量（1∶500地形圖及縱橫斷面測量）需要兩個(gè)工作日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個(gè)工作日，共采集地形點(diǎn)數(shù)據(jù)600個(gè)點(diǎn)；而使用掃描儀外業(yè)測量（外業(yè)掃描）僅需幾個(gè)小時(shí)，外業(yè)效率極高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間相當(dāng)，且數(shù)據(jù)量豐富。

5?結(jié)語

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測量，能快速、詳細(xì)地獲取地形表面詳細(xì)、真實(shí)的信息。與傳統(tǒng)地形測量手段相比，掃描儀快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，極大提高了外業(yè)測量工作效率，降低外業(yè)測量工作的強(qiáng)度，將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外該文通過將掃描儀測圖與全站儀測圖成果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的精度完全可以滿足地形圖測繪的要求。

目前還沒有一套完整有效的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形圖繪制的方法，只能通過將數(shù)據(jù)在各個(gè)軟件之間轉(zhuǎn)換、處理，最終繪制成地形圖。并且還沒有完善的軟件能夠滿足點(diǎn)云的各種非地形點(diǎn)剔除要求，一般需要手動(dòng)剔除大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉華.車載激光點(diǎn)云地物提取與分類研究[J].測繪學(xué)報(bào)，2020，49（11）：1506.

[2]羌鑫林，李廣偉，王留召，等.基于SSW點(diǎn)云數(shù)據(jù)的矢量地圖平面精度自動(dòng)校驗(yàn)方法[J].測繪通報(bào)，2019（3）：98-102.

[3]陳揚(yáng).基于三維激光掃描的路基壓實(shí)質(zhì)量檢測技術(shù)研究[D].成都：西華大學(xué)，2022.

[4]劉平.基于三維激光掃描技術(shù)的大壩變形監(jiān)測方法研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2021.

[5]劉斌，李樹文，隋儉武，等.基于格網(wǎng)點(diǎn)的三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北京測繪，2022，36（9）：1177-1181.

[6]史正軍.三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用[J].北京測繪，2020，34（10）：1388-1391.